JP5381342B2 - 固体酸化物型燃料電池の空気供給方法及びこれを実施するための固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）への空気供給方法及びかかる空気供給方法を実施するための固体酸化物型燃料電池に関し、特に発電セルを構成するカソードに対しカソード空気を均一に供給し得る技術に係る。

従来より燃料電池として、固体酸化物を電解質に用いた固体酸化物型燃料電池が知られている。かかる固体酸化物型燃料電池においては、発電セルを構成するカソードに空気（カソード空気）を、アノードに燃料ガスをそれぞれ供給することにより、電解質を間に挟んだカソード・アノード間で化学反応を生じさせ、その化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換されることになる。

カソード空気の供給方法としては、特に、セパレータを介在させて積層した多層セルを用いる固体高分子型燃料電池を対象にしたものとして、セパレータに対し折返し状に蛇行して空気(酸化剤ガス)が流れる複数の流通溝を形成し、折返し部毎に集合孔にていったん集合させるようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

又、セパレータに対し複数の独立した空気流路を互いに平行に配列し空気入口と空気出口とがセパレータの両端において交互になるように空気を流すようにしたものも知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２０００−１００４５８号公報 特開平７−２４９４２０号公報

ところで、固体酸化物型燃料電池の発電セルをいわゆる円筒型に構成し、複数の円筒型を所定間隔を隔てた状態で立設させて一つのセルスタックを構成することが考えられている。この場合、小径円筒形状のアノードと、大径円筒形状のカソードとを間に電解質を挟んで一体化して１本の円筒型の発電セルを構成し、例えば図７に示すように発電セル８０１，８０１，…が所定本数配列されてセルスタック８０２が構成されることになる。そして、発電セル８０１の並び方向の両側位置から相対向するように空気が噴出されることになる。これにより、各発電セル８０１のアノードの内孔８０３に燃料ガスが下から上に供給される一方、各発電セル８０１の外周面を構成するカソード表面８０４にカソード空気が供給されて上方に排出されることになる。

しかしながら、このような図７に示す構造にすると、複数の発電セル８０１，８０１，…の並び方向の両側位置から相対向して噴出された空気流が並び方向の中央寄りに向かうに伴い上向きに方向を変える結果、略中央寄りの下側位置に淀み領域Ｙが形成されてしまうことになる。このため、特にこの淀み領域にかかる発電セル８０１，８０１においては、その下側と上側とでカソード空気の供給量にムラ又はバラツキが生じ、この結果、発電のための化学反応にもムラ又はバラツキが生じ、発電セルの部分的劣化や発電効率の低下を招く原因にもなる、という不都合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体酸化物型燃料電池を構成する発電セルに対するカソード空気の供給ムラに起因して生じるおそれのある発電セルの部分的劣化や発電効率の低下を解消し得る、固体酸化物型燃料電池の空気供給方法及びこれを実施するための固体酸化物型燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、固体酸化物型燃料電池の空気供給方法に係る発明では、カソードの外表面が筐体の内部空間に臨んで露出するように構成された発電セルと、カソード空気を供給するためのカソードブロアとを備え、このカソードブロアを作動させてカソードブロアからの空気を上記筐体に形成した噴出口を通して筐体の内部空間にカソード空気として噴出させる、固体酸化物型燃料電池の空気供給方法を対象として、次の特定事項を備えるようにした。すなわち、上記噴出口として、上記筐体の内部空間に対し互いに異なる向きに臨んで開口して上記発電セルに向けてカソード空気が互いに異なる方向から噴出されるように複数個形成する。そして、上記カソードブロアを作動させてカソードブロアからの空気を上記複数の噴出口の内から選択した噴出口に対し供給し、以後、供給対象の噴出口を順次切換制御することにより、上記発電セルに対するカソード空気の噴出方向を周期的に変更切換するようにする（請求項１）。

この発明の場合、発電セルに体するカソード空気の噴出方向が周期的に変更切換されるため、内部空間での淀み領域の発生や、発生した淀み領域が持続すること等が確実に回避され、発電セルの外表面であるカソードに対し均一にカソード空気が供給されることになる。この結果、カソード空気の供給ムラに起因して生じるおそれのある発電セルの部分的劣化や発電効率の低下を解消し得ることになる。

上記発明においては、上記複数の噴出口の内から選択した１又は２以上の噴出口に対し上記カソードブロアから空気を供給した後に、他の１又は２以上の噴出口に供給切換する際に、切換前後に空気が供給される全ての噴出口に対し上記カソードブロアからの空気を同時に供給する同時供給期間を介在させるようにすることができる（請求項２）。このように切換前後に介在される同時供給期間において空気を同時に噴出させることで、内部空間を強制的に乱流状態にし得ることになり、これにより、上記の淀み領域の発生回避や、各発電セルに対する供給ムラの発生回避をより一層確実に実現させ得るようになる。

一方、以上の空気供給方法を実施するための固体酸化物型燃料電池に係る発明では、カソードの外表面が筐体の内部空間に臨んで露出するように構成された発電セルと、カソード空気を供給するためのカソードブロアと、このカソードブロアから供給される空気がカソード空気として上記筐体の内部空間に向けて噴出されるように上記筐体に形成された噴出口とを備えた固体酸化物型燃料電池を対象にして、次の特定事項を備えるようにした。すなわち、上記噴出口として、上記筐体の内部空間に対し互いに異なる向きに臨んで開口して上記発電セルに向けてカソード空気が互いに異なる方向から噴出されるように形成された複数種類の噴出口を備えることとする。そして、上記カソードブロアと上記複数種類の噴出口との間に、カソードブロアからの空気を上記複数種類の噴出口に対し選択的に供給切換する供給切換手段を介装し、この供給切換手段を切換制御することにより上記発電セルに対するカソード空気の噴出方向が周期的に変更切換される構成とした（請求項３）。

この発明の場合、請求項１に係る空気供給方法を確実に実施することができ、その空気供給方法に基づく作用を確実に得ることができるようになる。

かかる固体酸化物型燃料電池の発明において、上記複数種類の噴出口として、発電セルを挟んで相対向する方向からカソード空気を噴出させるように筐体の相対向する壁に形成された一側の噴出口と他側噴出口とにより構成することができる（請求項４）。この場合、請求項１に係る空気供給方法による作用を最も簡易な構成により得ることができるようになる。

又、かかる請求項４の固体酸化物型燃料電池においては、上記供給切換手段を切換制御する制御手段を備えることとし、上記制御手段として、供給切換手段を切換制御することにより、上記一側の噴出口からカソード空気を噴出させる第１噴出パターンと、上記他側の噴出口からカソード空気を噴出させる第２噴出パターンとを交互切換すると共に、交互切換の際に上記一側の噴出口と他側の噴出口とから同時にカソード空気を噴出させる第３噴出パターンを介在させる構成とすることができる（請求項５）。このようにすることで、複数種類の噴出口として相対向する一側の噴出口と他側の噴出口とで構成した場合に、請求項２の空気供給方法による作用を最も効率良く得ることができるようになる。

以上、説明したように、請求項１又は請求項２の固体酸化物型燃料電池の空気供給方法によれば、発電セルに対するカソード空気の噴出方向が周期的に変更切換されるため、内部空間での淀み領域の発生や、発生した淀み領域が持続すること等を確実に回避することができ、発電セルの外表面であるカソードに対し均一にカソード空気を供給することができるようになる。この結果、カソード空気の供給ムラに起因して生じるおそれのある発電セルの部分的劣化や発電効率の低下を確実に解消することができるようになる。

特に、請求項２によれば、切換前後に介在される同時供給期間において空気を同時に噴出させることにより、内部空間を強制的に乱流状態にすることができ、これにより、上記の淀み領域の発生回避や、各発電セルに対する供給ムラの発生回避をより一層確実に実現させることができるようになる。

請求項３〜請求項５のいずれかの固体酸化物型燃料電池によれば、カソードブロアと複数種類の噴出口との間に介装した供給切換手段の切換制御により発電セルに対するカソード空気の噴出方向を周期的に変更切換することができ、これにより、請求項１に係る空気供給方法を確実に実施することができ、その空気供給方法に基づく効果を確実に得ることができるようになる。

特に、請求項４によれば、複数種類の噴出口として、相対向する一側の噴出口と他側噴出口とで構成することにより、請求項１に係る空気供給方法による効果を最も簡易な構成により得ることができるようになる。

さらに、請求項５によれば、上記一側の噴出口からカソード空気を噴出させる第１噴出パターンと、上記他側の噴出口からカソード空気を噴出させる第２噴出パターンとを交互切換すると共に、交互切換の際に上記一側の噴出口と他側の噴出口とから同時にカソード空気を噴出させる第３噴出パターンを介在させることで、この第３噴出パターンによる空気の噴出によって内部空間を強制的に乱流状態にすることができ、これにより、複数種類の噴出口として相対向する一側の噴出口と他側の噴出口とで構成した場合に、請求項２の空気供給方法による効果を最も効率良く得ることができるようになる。

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池の例を内部構造を省略して模式的に示す斜視図である。 図１の固体酸化物型燃料電池のセルスタックの構成例を一部切欠状態で示す部分斜視図である。 図２の一部の発電セルを切欠いて示す部分拡大図である。 実施形態のセルスタックに対するカソード空気を供給するための構成を示す、図２のＸ−Ｘ線における断面説明図である。 カソード空気の噴出パターンの変更制御の例を示す表である。 カソード空気を供給するための図４とは異なる構成例を示す図４対応図である。 本発明の問題点を示すための固体酸化物型燃料電池を構成するセルスタックを示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の例を示し、２は複数のセルスタックが内蔵された発電モジュール、３は原料ガスＭを例えば触媒を用いて改質して燃料ガスを生成する改質器、４は改質器３を加熱する改質器バーナ、５はカソード空気Ａを供給するカソード空気供給手段である。

発電モジュール２はその筐体２１内に例えば図２に示すようなセルスタック６が１以上の所定数内蔵されて構成されている。そして、筐体２１内は隔壁２２により内部空間２０と底室２３とが互いに区画され、この底室２３に改質器３から燃料ガスＦが導入されるようになっている。

セルスタック６は１以上の円筒型の発電セル６１を備えて構成されたものであり、図例では１列６本に配列された円筒型（例えば直径１０ｍｍ，長さ１００ｍｍ程度）の発電セル６１，６１，…が２列分ずつ保持枠６２により保持されたもので構成されている。各発電セル６１は、図３に例示するように小径円筒形状のアノード６３と、この外周側を覆う大径円筒形状のカソード６４とが間に電解質６５を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものであり、互いに所定間隔ずつ隔てた状態で上記隔壁２２の上に立設されている。つまり、カソード６４が内部空間２０に露出し、アノード６３はカソード６４等により内部空間２０からは遮蔽されている。アノード６３や、カソード６４はいずれもＮｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質６５は例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。

各発電セル６１のアノード６３の内周面により構成される内孔６３１は上記隔壁２２を貫通して底室２３に連通されており、底室２３に供給された燃料ガスＦが内孔６３１の下端から上端に向けて流されるようになっている。又、各発電セル６１の外周面がカソード６４の外周面６４１により構成され、後述の噴出口５１ａ，５１ｂ，…から筐体２１の内部空間２０にカソード空気Ａが噴出されることにより上記外周面６４１に対し供給されるようになっている。カソード６４ではカソード空気Ａの酸素が酸素イオンとなって電解質６５を通り、アノード６３では燃料ガスＦの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード６４側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。内孔６３１に供給された燃料ガスＦは内孔６３１を上方に向けて通過する間に上記反応に利用された後、内孔６３１の上端から排出されるオフガスが改質器バーナ４に導かれて改質器バーナ４で燃焼させるための燃料として利用されるようになっている。又、内部空間２０に供給されたカソード空気Ａは上方に排気されるようになっている。

カソード空気供給手段５は、図４に示すように、セルスタック６の配列方向の両側端側に位置する筐体２１の相対向壁２１１，２１１に対しそれぞれ形成された噴出口５１ａ，５１ｂと、カソードブロア５２と、このカソードブロア５２からの空気を両側の噴出口５１ａ，５１ｂまで供給するカソード空気流路５３とを備えている。カソード空気流路５３は、途中で一側（例えば図４の左側）の噴出口５１ａに延びる分岐流路５３１と、他側（図４の右側）の噴出口５１ｂに延びる分岐流路５３２と分岐されている。その分岐点には供給切換手段としての切換弁５４が介装され、この切換弁５４の切換制御によって、カソードブロア５２からの空気を一側の噴出口５１ａのみに供給して噴出させたり（第１噴出パターン）、逆に他側の噴出口５１ｂのみに供給して噴出させたり（第２噴出パターン）、両側の噴出口５１ａ，５１ｂに同時に供給して両側から同時に噴出させたり（第３噴出パターン）、というように内部空間２０に対するカソード空気Ａの供給方向を変更切換し得るようになっている。なお、一側の噴出口５１ａや、他側の噴出口５１ｂは、セルスタック６を構成する発電セル６１，６１，…の配列数等に応じて複数個が上記各相対向壁２１１に対し貫通形成されている（図１、図２参照）。

カソードブロア５２や、切換弁５４は制御手段であるコントローラ７によって作動制御されるようになっている。すなわち、カソードブロア５２を作動させ、切換弁５４をカソードブロア５２側が分岐流路５３１側にのみ連通するように切換制御することで上記第１噴出パターンでのカソード空気の供給が行われ、この第１噴出パターンでは図４に実線の矢印で示すようにセルスタック６を構成する各発電セル６１，６１，…に対し一側の噴出口５１ａからのみカソード空気の供給が行われる。又、上記切換弁５４をカソードブロア５２が分岐流路５３２側にのみ連通するように切換制御することで上記第２噴出パターンでのカソード空気の供給が行われ、この第２噴出パターンでは図４に破線の矢印で示すように各発電セル６１，６１，…に対し他側の噴出口５１ｂからのみカソード空気の供給が行われる。さらに、上記切換弁５４をカソードブロア５２が両側の分岐流路５３１，５３２の双方と同時に連通するように切換制御することで上記第３噴出パターンでのカソード空気の供給が行われ、この第３噴出パターンでは各発電セル６１，６１，…に対し一側と他側の両噴出口５１ａ，５１ｂから同時にカソード空気の供給が行われる。

コントローラ７は上記の第１〜第３の３種類の噴出パターンを所定時間経過毎に周期的に切換制御するようになっている。すなわち、図５に示すように、まず、第１噴出パターンＰ１を時間ｔ１だけ継続して第３噴出パターンに切換え、次に、第３噴出パターンＰ３を時間ｔ０だけ継続して第２噴出パターンに切換える。そして、第２噴出パターンＰ２を時間ｔ２だけ継続して第３噴出パターンＰ３に切換え、第３噴出パターンＰ３を時間ｔ０だけ継続して元の第１噴出パターンＰ１に切換え、以後、これを繰り返す。つまり、カソード空気の供給を一側からの供給（第１噴出パターンＰ１）と、他側からの供給（第２噴出パターンＰ２）とを交互に切換えることを基本としつつ、その切換えの際には一側と他側との両側からの同時供給（第３噴出パターンＰ３）を所定時間（時間ｔ０）だけ介在させるようにしている。切換周期としては、例えば、上記の時間ｔ１，時間ｔ２，時間ｔ０は互いに同じ時間値に設定したり、あるいは、時間ｔ１，時間ｔ２は互いに同じ時間値に設定する一方、時間ｔ０は時間ｔ１，ｔ２よりも短い時間値に設定したりすることが考えられる。

以上の実施形態の場合、円筒型に構成された複数本の発電セル６１，６１，…が列状に配列された状態に構成されてなるセルスタック６が筐体２１内に配設され、この筐体２１内のセルスタック６に対するカソード空気Ａの供給が上記の如く一側からのみの噴出（第１噴出パターンＰ１）と、他側からのみの噴出（第２噴出パターンＰ２）とが周期的に交互に切換えられるようにしているため、全ての発電セル６１，６１，…の外周面に対しその上下方向に亘り均一にカソード空気を供給させることができ、淀み領域Ｙ（図７参照）が発生したりその発生が継続したりというような不都合の発生を回避することができる。しかも、その上に、上記の第１噴出パターンＰ１と第２噴出パターンＰ２との交互切換えの際に両側から同時に噴出させる第３噴出パターンＰ３を介在させて内部空間２０を強制的に乱流状態にするようにしているため、上記の淀み領域Ｙの発生回避や、各発電セル６１の上下方向に対する供給ムラの発生回避をより一層確実に実現させることができるようになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、第１〜第３の各噴出パターンの切換制御を切換弁５４の切換制御によって行うようにしているが、これに限らず、切換弁５４の代わりに、供給切換手段として例えば図４（又は図１にも図示）に一点鎖線で例示するように２つの分岐流路５３１，５３２のそれぞれに開閉弁５５１，５５２を介装し、これら一対の開閉弁５５１，５５２の開閉切換制御によって上記の第１〜第３の各噴出パターンの切換制御を行うようにしてもよい。さらに、切換弁５４や、一対の開閉弁５５１，５５２の代わりに、噴出方向（供給方向）の異なる噴出口毎にカソードブロアを個別に設置し、このカソードブロアの作動切換制御によって上記の第１〜第３の各噴出パターンの切換制御を行うようにしてもよい。例えば、噴出方向が実施形態の如く一側と他側の２方向の場合には図６に例示するように第１カソードブロア５２ａを一側の噴出口５１ａに、第２カソードブロア５２ｂを他側の噴出口５１ｂに、それぞれ空気流路を通して接続し、第１及び第２の一対のカソードブロア５２ａ，５２ｂの作動切換制御をコントローラ７により実行させればよい。つまり、第１カソードブロア５２ａのみ作動させれば第１噴出パターンＰ１により、第２カソードブロア５２ｂのみ作動させれば第２噴出パターンＰ２により、第１及び第２の両カソードブロア５２ａ，５２ｂを共に作動させれば第３噴出パターンＰ３により、それぞれカソード空気の供給が行われることになる。

上記実施形態では、互いに異なる供給方向の例として相対向壁２１１，２１１にそれぞれ形成した一側と他側との噴出口５１ａ，５１ｂからの相対向方向を示したが、これに限らず、２方向の場合としては平面視で内部空間２０の中心（セルスタック６の中心）位置近傍において所定の交差角度をもって交差するように噴出口を配置するようにしてもよいし、あるいは、３方向、４方向の放射方向から上記中心に向かうようにセルスタック６を囲む筐体２１の壁面に噴出口をそれぞれ形成すればよい。３方向又は４方向の場合には、上記の切換弁５４として４方又は５方切換可能な構成にしたり、上記分岐流路５３１，５３２や開閉弁５５１，５５２の数を供給方向の数に対応して増加させたり、あるいは、上記のカソードブロア５２ａ，５２ｂの数を供給方向の数に対応して増加させたりするようにすればよい。

上記実施形態では、第１噴出パターンＰ１と第２噴出パターンＰ２との交互切換えの際に両側から同時に噴出させる第３噴出パターンＰ３を介在させるようにしているが、これに限らず、第３噴出パターンＰ３を省略して第１噴出パターンＰ１と、第２噴出パターンＰ２とを交互に切換えるようにしてもよい。この場合であっても、淀み領域Ｙ（図７参照）が発生したりその発生が継続したりというような不都合の発生を回避することができ、これにより、全ての発電セル６１，６１，…の外周面に対しその上下方向に亘り均一にカソード空気を供給させることができるようになる。

６ セルスタック
７ コントローラ（制御手段）
２０ 筐体の内部空間
２１ 筐体
５１ａ，５１ｂ 噴出口
５２，５２ａ，５２ｂ カソードブロア
５４ 切換弁（供給切換手段）
６１ 発電セル
６３ アノード
６４ カソード
５５１，５５２ 開閉弁（供給切換手段）

Claims (5)

1. カソードの外表面が筐体の内部空間に臨んで露出するように構成された発電セルと、カソード空気を供給するためのカソードブロアとを備え、このカソードブロアを作動させてカソードブロアからの空気を上記筐体に形成した噴出口を通して筐体の内部空間にカソード空気として噴出させる、固体酸化物型燃料電池の空気供給方法であって、
   上記噴出口として、上記筐体の内部空間に対し互いに異なる向きに臨んで開口して上記発電セルに向けてカソード空気が互いに異なる方向から噴出されるように複数個形成し、
   上記カソードブロアを作動させてカソードブロアからの空気を上記複数の噴出口の内から選択した噴出口に対し供給し、以後、供給対象の噴出口を順次切換制御することにより、上記発電セルに対するカソード空気の噴出方向を周期的に変更切換するようにする、
   ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の空気供給方法。
2. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の空気供給方法であって、
   上記複数の噴出口の内から選択した１又は２以上の噴出口に対し上記カソードブロアから空気を供給した後に、他の１又は２以上の噴出口に供給切換する際に、切換前後に空気が供給される全ての噴出口に対し上記カソードブロアからの空気を同時に供給する同時供給期間を介在させるようにする、固体酸化物型燃料電池の空気供給方法。
3. カソードの外表面が筐体の内部空間に臨んで露出するように構成された発電セルと、カソード空気を供給するためのカソードブロアと、このカソードブロアから供給される空気がカソード空気として上記筐体の内部空間に向けて噴出されるように上記筐体に形成された噴出口とを備えた固体酸化物型燃料電池であって、
   上記噴出口として、上記筐体の内部空間に対し互いに異なる向きに臨んで開口して上記発電セルに向けてカソード空気が互いに異なる方向から噴出されるように形成された複数種類の噴出口を備え、
   上記カソードブロアと上記複数種類の噴出口との間に、カソードブロアからの空気を上記複数種類の噴出口に対し選択的に供給切換する供給切換手段が介装され、
   この供給切換手段が切換制御されることにより上記発電セルに対するカソード空気の噴出方向が周期的に変更切換されるように構成されている
   ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
4. 請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池であって、
   上記複数種類の噴出口は、発電セルを挟んで相対向する方向からカソード空気を噴出させるように筐体の相対向する壁に形成された一側の噴出口と他側噴出口とにより構成されている、固体酸化物型燃料電池。
5. 請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池であって、
   上記供給切換手段を切換制御する制御手段を備え、
   上記制御手段は、供給切換手段を切換制御することにより、上記一側の噴出口からカソード空気を噴出させる第１噴出パターンと、上記他側の噴出口からカソード空気を噴出させる第２噴出パターンとを交互切換すると共に、交互切換の際に上記一側の噴出口と他側の噴出口とから同時にカソード空気を噴出させる第３噴出パターンを介在させるように構成されている、固体酸化物型燃料電池。

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